钢纤维混凝土在西安地铁工程中的应用
摘 要：以西安地铁主体结构工程施工为例，介绍了钢纤维混凝土在该工程地裂缝段及车站主体结构中应用的施工要点及质量控制措施。
关键词：钢纤维混凝土；西安地铁；地裂缝
1 西安地铁工程及施工难点
1.1 西安地铁工程简介
2006 年 9 月， 国家发改委报请国务院同意，批准了西安市城市快速轨道交通建设规划。 西安地铁二号线工程北起铁路北客站， 南至韦曲， 全长26.3km，设车站 21 座 ， 车辆段 、停车场和控制中心各 1 处，主变电站 2 座，总投资 130 亿元。 先期开工建设的北客站至会展中心段，长 20.5km，设车站 17座， 车辆段和控制中心各 1 处，主变电站 2 座，投资100.53 亿元。 该段工程于 2006 年 9 月试验段开工建设， 2010 年 9 月 16 日通车试运营。 会展中心至韦曲段 6km 目前正在建设中， 计划 2014 年建成通车。
地铁一号线一期工程西起后卫寨， 东至纺织城，全长 25.4km，设车站 19 座，车辆段和停车场各 1处，主变电站 2 座，控制中心和二号线共用，总投资134.9 亿元。 2009 年初全线开工建设，目前 19 座车站已全部封顶，铺轨和附属工程已全面展开，年底隧道基本贯通，计划 2013 年建成通车。
1.2 西安地铁工程难点之一———地裂缝
1.2.1 西安地裂缝的分部
西安地裂缝是地区性的地质灾害现象，是一种在空间上具有三维变形特征的地表现状裂缝，包括已出露地表的地裂缝和未在地表出露的隐伏地裂缝。 西安市区共发现 14 条地裂缝，自南向北编号依次为 f1~f14，全部分布在黄土梁洼地貌范围内，呈带状分布，一般宽度为 3~8m，局部可达 20~30m。 地裂缝带大体呈等间距近似平行排列， 间距为 0.4~2.1km，平均间距约 1km。
1.2.2 地裂缝的成因、危害及对地铁工程的影响
西安地裂缝发育有其独特的地质背景，成因是以隐伏断裂构造的发育为基础，受渭河盆地区域主应力场控制。 20 世纪 70～90 年代，长期过量开采深层承压水，使承压水水头下降，加剧了地裂缝的发展。 也就是说西安地裂缝是构造作用和抽取深层地下水共同作用的结果。
自 20 世纪 70 年代后期以来，由于自然和人为等因素的作用，西安市区先后出现了 14 条地裂缝，其活动时间之长，规模之大，危害之强，在国内尚属罕见。 地裂缝对工程建筑造成的危害主要是由于地裂缝的活动，使建筑物基底产生不均匀沉降，以致地基失效，从而造成建筑物变形或破坏。 地裂缝所到之处， 使不少地面建筑物和地下设施遭到破坏，迄今为止已造成数亿元的直接经济损失。
目前，工业与民用建筑物设计时对地裂缝的防治一般采取以避让为主的措施。 根据《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》的规定，按照拟建建筑物的重要性、结构类别等，对地裂缝上盘避让距离为 6~40m，下盘避让距离为 4～24m。 但是，地铁工程不同于工业与民用建筑，由于自身位置和功能等特点，线路必须穿越这些地裂缝，西安地铁二号线穿越了 11 条地裂缝和 2 条次级裂缝， 地铁一号线穿越了 5 条地裂缝。
地裂缝的活动对地铁工程会产生较大影响。 由于地裂缝两侧上、下盘地层相互错动，引起地铁隧道结构跟随地层变形， 造成结构开裂或压曲破坏；变形缝防渗设施遭到破坏， 引起地铁隧道渗漏水，影响列车运行； 导致列车轨道产生不均匀沉降变形，影响运行安全。
1.2.3 解决地铁线路主体结构通过地裂缝段问题
的主要措施对于地铁线路通过地裂缝段采取的处理措施原则是：“防”与“放”相结合，以结构适应地裂缝的变形为主，采取了“局部加强、预留净空、分段处理、柔性接头、先结构后防水”的综合防治措施。 在地铁结构施工中， 车站等重要节点应采取避让的原则，区间尽可能采用正交或大角度通过地裂缝。 区间必须穿过地裂缝的，以 65m 为设防长度，分段设置特殊变形缝，释放错动产生的变形。 对于设防段在混凝土选用上首先考虑钢纤维混凝土，以发挥其较高的抗拉、抗压和抗弯的极限强度和优越的抗剪性能等。
2 钢纤椎混凝土在西安地铁工程中的应用
西安地铁二号线建设共穿越了 11 条地裂缝，全部使用了钢纤维混凝土， 下面仅以永南区间段为例，介绍其在施工中的应用情况。
2.1 工程概况
永宁门～南稍门区间起终点里程 Y （Z）DK14+684.462, Y（Z）DK15+450.762；区间与车站分界里程Y（Z）DK14+685.962, Y（Z）DK15+449.262；区间单线长 766.30m。 区间断面为单线单洞马蹄型隧道，洞顶覆土 9.2～14.4m，线间距 13.0m。 区间含两处平曲线，曲线半径 3000m。 线路最大纵坡 23.302‰。 区间在YDK14+958.244 处设废水泵房兼联络通道 1 处，与施工通道合设； 施工通道处施工竖井中心里程YDK14+958.894。 本区间在南稍门十字北约 300m南稍门小学校门口发育有西安 f5 地裂缝，与拟建线路左 、 右线的交点里程分别为 ZDK15+101.52、YDK15+104.24，在勘察线路处走向约 NE62°，倾向东南，倾角 79°。
f5 地裂缝段断面尺寸为 6820mm×6200mm（高×宽）， 初期支护采用 300mm 的 C25、S6 网喷混凝土（格栅钢架）；二次模筑为 500mm 的 C30、S8 钢筋混凝土。 开挖面在拱顶 180°范围采用小导管注浆超前支护， 环向 0.3m， 纵向 1.5m 布置。 拱腰范围布置覫22 砂浆锚杆，环纵向间距 1.0m×1.0m。
二次衬砌混凝土等级为 C30、S8，f5 地裂缝范围二衬混凝土内添加铣削钢纤维 40kg/m3（f5 地裂缝上盘 40m,下盘 25m 范围二衬混凝土内添加），设防长度为 70m。
2.2 混凝土配合比及强度
设计要求采用铣削钢纤维混凝土并规定了每m3用量，据此理论配合比，每 m3混凝土中原材料用量分别为：水泥 280kg，中砂 777kg，石 1073kg，粉煤灰 80kg， 钢纤维 40kg， 水 160kg， 聚羧酸减水剂4.68kg。 其中， 水泥选用 P·O 42.5 级， 石选用 5~25mm 连续级配碎石。 实际施工时要根据砂石的含水量调整用水量。 现场留样检测表明，混凝土实际强度（标养）普遍达到设计强度的 120%左右。 从现场验收情况看，防水效果较好，表面未见裂纹和裂缝。
全线其他地裂缝段的验收结果也表明，截至目前为止，已施工的钢纤维混凝土，无论强度、整体外观质量，还是防水效果等均达到设计要求。 但地裂缝的活动和变化是长期和不确定的，目前所采取的工程措施都还是属于试验和摸索阶段，具体效果和作用还有待于运营过程中对地裂缝段的监控量测来验证， 并对可能引起的沉降进行更深的研究探索，以确保地铁通过地裂缝段设计、施工、运营的长期安全。
3 钢纤维混凝土在西安地铁其他结构物中的应用
西安地铁二号线试验段工程为一站一区间式，两部分分别为行政中心站、 行政中心站～凤城五区间，总造价为 197.22 亿。 行政中心站位于张家堡环形广场内，沿广场南北向布置。 该行政中心站为轨道交通二号线与四号线的换乘站， 总长 225.7m，建筑面积 16990m2，设 4 个出入口通道。 车站采用明挖顺作法施工。换乘节点段宽 41.6m，深 21.7m。车站主体结构设计为地下两层三跨（换乘节点段为三层五跨）， 现浇钢筋混凝土箱形框架结构， 覆土厚1.5m。 该车站的 B 区开有一个圆形洞口， 该洞口的外径为 24.6m、 内径为 22.8m， 作为采光使用，穹顶环梁截面尺寸为 1800（H）×1000（B）。 在 B 区顶板开洞处采用了掺钢纤维的补偿收缩混凝土。 考虑到顶板覆土较薄且该区域开孔较大， 为了确保工程质量， 减少温度变化产生的混凝土裂缝， 参照其他城市地铁的设计规范和设计经验，在该区域顶板混凝土中掺入了铣削型钢纤维。 圆形梁中钢纤维掺量为60kg/m3，其他部位掺量为 30kg/m3。
从检测结果看，钢纤维的掺入有效解决了开洞处混凝土构件受力及因混凝土收缩等产生的裂缝等问题，整体结构未见裂缝和裂纹。
4 结语
（1）钢纤维混凝土是一种新型的优质水泥基复合材料， 可以实现按照使用要求设计材料的目的。随着钢纤维生产技术的不断进步和基础理论的不断完善，钢纤维混凝土在地铁结构工程的应用将进一步拓宽。 对于其在地裂缝和其他结构中使用的长远效果还需在以后运营中进行进一步的观察和总结。
（2）钢纤维混凝土在运输过程中，坍落度和含气量都会有损失，拌和物稠度会下降。 由于在运输时受到振动使钢纤维下沉，影响了钢纤维混凝土的均匀性。 因此，钢纤维混凝土的运输距离应尽量缩短,料斗出口尺寸要大一些，以确保混凝土质量不受影响。
（3）合理调整配合比是充分发挥钢纤维混凝土优越性能和降低工程造价的有效途径。
（4）重视钢纤维混凝土的施工是保证其质量的重要环节。
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